三元福達煤礦15號煤層上覆巖層裂隙帶分布范圍的UDEC模擬研究

郝振寧

(山西三元福達煤業有限公司，山西 長治 046300)

煤層被開采出以后，圍巖的原巖應力狀態發生變化，失去平衡，頂底板巖層特別是頂板巖層發生移動、變形乃至破壞，直至垮落。隨著開采面積的不斷擴大，巖層的移動從采空區頂板一直發展到地表。當頂板上覆巖層破裂垮落后，充填了采空區，使上覆巖層又得到了支撐。垮落巖石逐漸被壓實，導致上層的巖石僅發生彎曲，并產生裂隙，再往上裂隙更少，僅發生彎曲，形成“豎三帶”，即垮落帶，裂隙帶及彎曲下沉帶，本文針對三元福達煤礦15號煤層上覆巖層開采中的裂隙帶分布范圍，通過采用UDEC軟件進行構建模型，模擬分析，得到對應的分布范圍。

1 地質概況

山西三元福達煤業有限公司井田位于山西省武鄉縣東北部的墨鐙鄉以北1 km處的墨鐙村與常青村一帶，行政區劃屬墨鐙鄉管轄。批準開采7～15號煤層，生產規模為120萬t/a。井田內煤層賦存深度不大，煤層傾角平緩，賦存穩定，儲量豐富，煤層厚度大，煤質較好，開采條件優越。主要開采8號、9號、15號煤層，平均煤層總厚7.54 m，可采系數為4.20%.

其中15號煤層位于太原組底部，上距9號煤層47.10～59.62 m，平均54.69 m，煤層厚3.70～4.97 m，平均4.49 m，一般含1～4層泥巖及炭質泥巖夾矸，結構簡單-復雜，煤層厚度變異系數為8.90%，可采性指數為1。全井田穩定可采，為一型，煤層頂板多為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖，底板為砂質泥巖、泥巖、鋁土質泥巖。

2 模型的建立及分析

UDEC數值軟件是主要通過離散單元法理論進行模擬計算的一種軟件，在工程領域有著廣泛的應用，針對連續介質、非連續介質均有著良好的分析能力。相對于傳統數值模軟件FLAC3D，對于固態介質在外部影響下的動態響應和變形機理有著本質的優勢，針對本文主要研究的礦井覆巖層裂隙變，可以直觀地分析出介質變形和漸進破壞的具體過程。

由于三元福達煤礦15號煤層傾角較小，在UDEC模擬時將計算模型設為水平模型，選取工作面的走向方向(煤壁方向)為X軸，沿煤壁豎直向上方向為Y軸方向。其中，在X軸方向上，切眼左側取100 m，右側取300 m；在Y軸方向上，根據煤層地質情況選定煤層底板向下取25 m，煤層頂板向上取71 m，根據以上數據建立對應的原始平面應力計算模型。根據15號煤層各邊界情況，構建計算模型邊界，模型左右邊界構建為實體煤巖體，上邊界構建為應力邊界，下邊界構建為底板邊界，并簡化為位移邊界條件，對應方向邊界限制同方向位移。

上邊應力邊界載荷設置為均布載荷，采用摩爾-庫倫模型作為巖體計算模型，采用節理面接觸-庫倫滑移模型作為節理計算模型，設置煤巖層節理為水平和垂直兩組節理，隨后根據各巖層物理力學參數，在計算模型上添加初始應力和邊界條件，并運行至平衡狀態。15號煤層及頂底板各巖層力學參數見表1。

表1 15號煤層及頂底板各巖層力學參數

根據工作面回采情況，選取工作面開挖長度45 m，構建模型圖如圖1 、圖2所示。

圖1 模型回采200 m后達到平衡狀態

圖2 圍巖收斂變化圖

通過模型建立及相關參數設置，設置對應的邊界條件，上層應力邊界設定為均勻載荷，大小為上部至地面巖層重力之和，底板邊界為固定位移邊界，左右兩側邊界設定為半無限邊界，邊界范圍測定設置為45 m。得到相應的計算模型如圖3所示。

圖3 UDEC模型圖

在確定計算模型后，對整體模型進行網格化處理，并根據具體參數運行整體模型，在平均不平衡力達到最大不平衡力的10 000倍時，可認定為達到平衡狀態，隨后在平衡狀態下，對模型進行回采模擬，開挖長度設置為45 m，通過模擬軟件計算回采各階段過程，直到再次達到平衡狀態，以觀察上覆巖層裂隙帶分布范圍。

回采后在平衡狀態工作面頂板屈服破壞圖如圖4所示，通過圖4可知，工作面開挖之后，工作面主要上覆巖層在Y=71 m的位置以下產生屈服破壞，其余上覆巖層產生了拉伸破壞，整體上覆巖層在X=80 m處達到破壞最大值，垂直位移量達到最大。

圖4 屈服破壞圖

圖5與圖6分別為巖層水平應力等值線分布圖與水平位移分布圖。通過圖5和圖6可知，上覆巖層在回采過程中的應力破壞規律，得到裂隙發育隨開采活動的發展變化情況。在回采之前，工作面整體覆巖巖層未受采動影響，水平方向處在應力為零的狀態，在工作面回采后，工作面整體上覆巖層主要受到垂直應力破壞，水平應力自上到下表現出逐漸減小的趨勢，由圖5可知，垂直應力是工作面回采后上覆巖層破壞的主要應力，水平應力為破壞的特征應力。在回采后，偽頂與直接頂巖體完全垮落，基本頂巖層呈現彎曲下沉趨勢，在上覆巖層35.90～71.00 m高度處，產生應力破壞，形成了裂隙帶分布范圍。

圖5 應力分布圖

圖6 水平位移分布圖

3 結 語

通過應用UDEC 3.0對三元福達煤礦15號煤層工作面上覆巖層裂隙發育過程進行數值模擬，可以清楚地看到，工作面上覆巖層在采動影響下的應力破壞規律，并得到工作面上覆巖層的裂隙帶發育過程和分布范圍，最終確定裂隙帶的高度范圍為35.90～71.00 m，確立了煤壁支撐影響區域。